毕业设计（论文）管内机器人驱动机构和控制系统设计

管内小型机器人驱动机构和控制系统设计摘要：本文设计的任务是为管内机器人设计一种驱动机构和控制系统，设计的主要内容包括：机器人总体方案设计；机器人移动功能模块及控制系统的简单设计与实现；机器人管内动力学简单分析。论文在分析了国内外管内机器人技术现状的基础上，阐述了研究设计该机器人驱动机构和控制系统的目的和意义。通过需求分析，提出了机器人的设计要求和具体指标。对机器人的移动功能模块和控制功能模块进行了进行了总体设计。利用机械设计的相关方法对机器人的移动机构进行了设计，对主要零部件进行了详细设计和计算。通过管内机器人的研究，最后设计了一套满足功能结构紧凑便于拆卸稳定可靠适应性强的机械系统。分析研究表明这种机器人较好的满足了设计要求，且具有较大的可靠性储备并且在功能方面有较大的提升空间。关键词：管道机器人，驱动机构，可调节预紧机构，控制系统re DesignDesign on Drive and Control system of Mechanical Pipe-RobotAbstract: The purpose of this study is to design a robot. This paper has done some research and analysis on the mechanical system and controlling parts of robot. There are three main aspects included in this paper. Firstly, an overall plan for the robot has made. Secondly, the optimum design of the moving and controlling parts has been done. Thirdly, the dynamics analysis of the robot has been done.Based on the research and analysis of the pipe-robot technology home and abroad, the purpose and the meanings of robot were illustrated. On account of the demand, the design demands and indexes of the robot were put forward, and the overall design for the moving and controlling parts were made. With the method of mechanical design, the design of the moving mechanism was finished, and the design details of the main part were given. Through the research of the pipe-robot, a powerful, compactive, easy disassembled, steady and well-adapted mechanical system has been designed. The analysis and the research show that the robot fits the design demand preferably, and it has reliability with reserve, has greater space to improve in funtion.Key wards: pipe robot, mechanical system, adjustable and self-adaptation mechanism, controlling system目 录（目录项为自动生成，不用修改，只需刷新）1 绪 论11.1研究课题的目的和意义11.2国内外研究现状12管内机器人总体方案设计62.1任务分析与设计思路62.2移动功能模块设计72.3控制功能模块设计113管内机器人结构参数分析133.1移动机构分析133.2动力系统设计与计算224 机器人机械结构设计244.1传动机构设计244.2预紧机构设计254.3连接件设计254.4驱动机构装配图设计265机器人管内运动分析275.1移动机构管内运动情况分析275.2机器人管内动力学分析276 管内机器人控制系统设计306.1控制系统硬件总体设计306.2 ARM主控制器306.3 LCD转VGA模块326.4电机控制系统336.5无刷直流电动机的控制357 总结与展望397.1结论397.2展望39参考文献：40致谢41401 绪 论 1.1研究课题的目的和意义工业管道广泛用于石油、化上、天然气及城巾给排水等领域，通常架设于空中或埋入地下，上作环境恶劣，人们很难直接介入，因此给检修、维护等上作造成了困难。为解决这一问题，针对特定的环境要求，有学者研制了相应类型的管道机器人，其主要分管外与管内两种，以代替人上进行作业。显然，机器人的移动性能与环境适应能力是完成任务的关键。另外，管道施上一般投资巨大，管道机器人设计不合理将会造成难以估算的经济损失。因此，具有较强移动性能与环境适应性的移动机构设计一直是管道机器人是否成功运用的重点。工程应用中的管内机器人首先承担移动载体的作用。特别在小管径应用中，移动灵活、输出驱动力大是机器人完成任务的基本前提。对于电驱动轮式管内移动机器人，其驱动力大小由驱动电机功率决定，而电机功率大小又与其自身尺寸有关，所以驱动力大的机器人结构尺寸一般偏大，这自然受到管内有限空间的制约。空间越小，机器人的输出驱动力越难提高。管道机器人的研究开始于20世纪50年代的PIG管道清管器，20世纪70年代，随着计算机技术、通信技术、图形处理技术、微电子技术、传感器技术和机械设计制造技术的发展，管道机器人得到了空前的发展。20世纪末至21世纪初，由于微机电系统及微驱动器和材料技术研究的进步，出现了微小管道机器人的研究热潮。根据能源的供给方式微小管道机器人可分为有缆式和无缆式，其中有缆式可减少能源模块、减小机器人的尺寸、能源供给稳定但是会导致行走距离短、增大机器人与管壁间的摩擦力;无缆式根据驱动源可分为压差驱动、微型电机、形状记忆合金(SMA)、外磁场驱动、压电驱动、微波驱动和气液驱动等。微小管道机器人按行走机理可分为轮式、腿式、仿生蠕动式、仿生游泳式、螺旋式等多种类型。1.2国内外研究现状1.2.1国外管道机器人技术研究现状 日本东京工业大学航空机械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等人于1993年开始研究管道检测机器人.成功研制出能适应150m m管道的Thes型管道检侧机器人，如图1-1所示。该机器人采用“电机.一蜗轮蜗杆一驱动轮”的驻动方案，同时每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮，通过测盘轮探测机器人的倾斜角度，并反愤给电机从而保证管道检洲机器人的驱动轮以垂直的姿态运动。该管道检测机器人系统通过CCO摄像头实现信息的采集，整个系统采用拖缆控制方式，检测距离超过100m。图1-1Thes-管道检测机器人美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，是世界上的机器人强国之一其基础雄厚，技术先进，有很多管道机器人产品。美国纽约煤气集团公司(NYGAS)的Daphne Dp Zurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院的Hagen Schempf博士在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的资助下于2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统EXLORER，专门用于检测地下煤气管道的情况。该管道机器人采用无缆的方式作业，一次作业检洲距离长，可以在铸铁和钢质煤气管道中工作，过弯能力强，可以顺利通过90的弯管接头和垂直管道。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。德国学者Bernhard Klaassen、Hermann Streich和Frank Kirchner等人在德国教育部的资助下于2000年研制成功了多关节蟠虫式管道检测机器人系统MAKRO。该机器人由六节单元体组成，其头部和尾部两个单元体完全相同，褥个单元体之间的节点由三个电动机驱动，使得MAKRO机器人本体可以抬起或者弯曲，从而越过障碍物或实现拐弯运动，通过弯管接头部分。MAKRO具有21个自由度。长度为2m，里量为50kg，采用无缆控制方式，适用于直径为300mm一600mm的管道，但该机器人牵引能力有限，不能运行于垂直管道。 德国Institute for Applied Mechanics Technical University of Munich的Dipl.-Ing.Andreas Zagler开发了管道爬行机器人。该管道爬行机器人重量为20Kg，采用八足爬行驱动，机器人长为0.75m，宽为0.6m，高为0.6m，最大速度为0. 1m/s，采用直流供电方式。俄罗斯的TARIS公司针对地下输水管道的检测、清理任务，研制了多个系列管道机器人系统。图1-2俄罗斯P系列管道机器人这些管道机器人采用防水材料制作，具有较好的密封防水性，采用轮式驱动，能源供给和通信采用拖缆方式，带有方向可旋转控制的彩色摄像头，能进行视频探测。P-100 CCTV Robotic System适应管径90mm900mm，P-200 CCTV Robotic System适应管径150mm1200mm，C一200 CCTV Robotic System除了能进行视频探测外，还可以进行切割、清理工作.适应管径200mm一600mm，管道内最大作业距离为300m。综上所述，目前美国、德国和日本等国家的管道机器人技术处于世界领先地位，并且结合实际需要，注重产品的开发和应用，使得管道机器人的应用得到了推广。 1.2.2 国内管道机器人研究现状国内对管道机器人的研究己有20余年的历史。与西方发达国家相比，起步较晚，但近年来也取得了快速的发展.尤其是哈尔滨工业大学机器人研究所，在开展大中口径工程用管道机器人技术研究中处于领先地位。哈尔滨工业大学邓宗全等人于1987年起就对管内行走机构进行了较深入的研究，并研制了“螺旋驱动式管内移动机器人”实验样机和平面四点支撑的“RIP-R型管内移动机器人”实验样机。此后，又结合国家863计划“管内作业机器人产业化开发”项目研制了“89mm管内补口作业机器人”和“660mm野外大直径管道X射线探伤机器人”，其中“660mm野外大直径管道X射线探伤机器人”已在国家重点工程“峡一京”天然气管线工程中得到实际应用。其研制的六轮独立驱动式管内移动机器人，按照预定的模枷控制算法，对各驱动电机的驱动力矩进行控制，通过管道环境形成速度调节的半闭环控制，实现了速度主动控制功能，取得了驭动轮组速度调节方面的代表性研究成果。图1-3六轮独立驱动式管内移动机器人哈尔滨工业大学于2007年研制了一种由单电机输入，同时带动周向的多个驱动轮转动，而且每个驱动轮转速可以由周围环境决定的驱动系统，即具有机械差速功能的驱动系统三轴差动式机械自适应驱动单元。该驱动系统不但可以实现机器人的全主动驱动.而且可以在传动原理上避免运动关系干涉现象的产生，从根本上解决单电机刚性传动引起的管道机器人在遇到不规则管道或弯管时发生运动干涉的问题，同时也弥补了由多电机驱动而引起的控制系统复杂及体积偏大的缺点，对管道机器人技术的应用和发展具深远的意义。图1-4三轴差速管道机器人样机国防科技大学于2006年研制了“微小型螺旋推进管道机器人”。该机器人机械部分主要包括螺旋头、万向节和保持架，可对15mm管道执行检测任务。上海大学研制的“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”，该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。其中螺旋轮移动机构管道机器人适应管径38mm，水平行走平均速度4mm/s，最大牵引力4N左右。图1-5细小工业管道机器人总之，近几年我国的管道机器人技术研究已取得了很多成果，在驱动方式和机器人各种性能的研究上都己取得了一定成果，随着机器人技术的发展，管道机器人的应用将日益广泛。1.3本文研究的主要内容本文以80mm管道为应用环境，对管道机器人运动方式进行分析、选择对主要功能实现机构进行了结构参数的分析和优化，并给出了各主要零件的设计参数，为后期的机器人加工制作做好了准备。本文总共五部分，具体内容及组织结构安排如下：第一部分 绪论。介绍课题研究的背景、目的和意义分析国内外管道机器人的研究现状。第二部分 管道机器人总体方案设计。分析管道机器人的使用环境，并据此对机器人系统进行总体设计。着重对移动功能模块进行分析，并确定主要功能模块的实现机构。第三部分 细管机器人结构参数分析与优化。运用机械优化设计的相关方法对细管机器人移动机构进行结构参数分析和优化设计，并根据设计结果进行传动比分配和电机选型。第四部分 细管机器人机械机构详细设计。对细管机器人移动机构进行详细设计。给出个主要零件的设计参数。第五部分 机器人管内运动分析。第六部分 机器人控制系统详细设计。第七部分 总结和展望。总结本论文研究成果，对细管小型机器人研究成果进行展望。 2管内机器人总体方案设计为实现机器人在管道内高效稳定运行，本文设计的管内机器人系统包括一下几个部分：（1）移动机构。任务中的工作载体，包括机体架、行走驱动电机和车轮，保障牵引力，具有一定的越障能力和管道内移动的能力；（2）控制系统。包括车载控制和外部控制箱部分，完成对机器人稳定运行的控制，提高工作效率。2.1任务分析与设计思路工程应用中的管内机器人首先承担移动载体的作用。特别在小管径应用中，移动灵活、输出驱动力大是机器人完成任务的基本前提。对于电驱动轮式管内移动机器人，其驱动力大小由驱动电机功率决定，而电机功率大小又与其自身尺寸有关，所以驱动力大的机器人结构尺寸一般偏大，这自然受到管内有限空间的制约。空间越小，机器人的输出驱动力越难提高。因此，机器人设计的基本原则是在有限空间内使结构紧凑且保证驱动力输出最大。课题研究的是内径为80mm的细小管道。本部分将通过分析细小管内机器人在管内运动方式的的运动机理及环境要求，确定对管内有较好适应性的运动方式，然后进行分析细管机器人本体结构设计。细管机器人应具备以下几方面的要求：1）适应性强，能适应一定口径范围内的管内作业；2）结构紧凑；3）通用性强，主要部分采用模块化设计，便于拆卸和更换；4）可扩展性强，可搭载检测和维护设备等。综合考虑细管内小型机器人的设计指标和具体要求，对细管内小型机器人提出以下技术指标：1）可适应管径为80mm、管精度9-11级要求；2）移动功能模块拖动力大于等于100N；3）行走速度5mm/s10mm/s；4）总重量小于8Kg。管道口径直接约束动力源和机械机构的尺寸，并且影响移动机构机械部分的设计的复杂程度和实现功能的多少。机械零部件的设计和加工都受影响。管内机器人总体布局如图2-1所示。图2-1 管内机器人功能部分示意图移动功能模块推动机器人整体前进或后退；控制功能模块接受传感器信号，主要实现对驱动电机的控制。移动功能模块的运动和动力性能是机器人完成任务的关键。2.2移动功能模块设计任务要求管径80mm且为单向前进，为方便机器人进出管道，驱动轮应具有收放功能。管内机器人移动机构运动方式的设计与管道的情况密切相关。管道口径直接约束动力源和机械机构的尺寸，并且影响移动机构。2.2.1运动方式分析与选择由于管道是一个特殊的受限工作环境，研究适合在管道内移动的各种运动方式成为管道机器人研究的一个热点。目前，国内外对机器人在管道内的各种运动方式和运动机理进行大的研究和探索，并研制了相应的管道机器人样机。按照管道机器人在管道内作业的动力源，可分为被动式和主动式，其中被动式是利用管道内介质的压力差驱动，在管道内只能单向运动，适应单一的管道直径，运动速度不宜控制；主动运动方式的管道机器人具备动力能源供给装置，在管道内具有自主行走的能力，其运动速度可控。根据运动机理和驱动方式的不同，主动运动方式主要包括轮式、履带式、多足式和蠕动式等主要方式。各种行走方式都有其自身的优越性和局限性。表2-1列出了上述四种行走方式的运动机理和优缺点。表2-1 四种主要主运动方式运动机理和特点行走方式运动机理优缺点轮式驱动轮紧压在管道内壁上，在封闭力的作用下，机器人的各驱动轮与管壁之间产生附着力，驱动机器人在管道内前后运动。该运动机构只具有机构简单牵引力大行走速度快运动部件可靠性高控制方便成本低廉等优点，适用于大中口径的管道，是管道机器人实际工程应用最多的一种运动方式。履带式靠履带卷绕时管道内壁对履带产生的反作用力推动机器人载体在管道内运动。该运动方式有效的解决了驱动力-正压力-附着力之间的矛盾，是一种在恶劣管道环境下的有效运动方式，但其结构复杂，不宜小型化，转弯性能差，因此实际应用中大多用于大直径的管道内。多足式模仿多足昆虫的行走方式和行走步态。该行走方式有较好的行走灵活性，理论上可以适应各种形状的管道，但其较复杂的运动学和动力学特征，使得机器人在步态规划和关节间协调运动控制等方面存在一定难度，且牵引能力有限，不宜携带检测维护装置，不适合长距拖缆作业。蠕动式模仿蚯蚓毛虫等虫类的变形蠕动运动机理。该行走方式行走效率低，导致机器人行走不连续，而且更换支撑部分时易产生机身不稳定现象，难以满足管道工程中“迅速完成作业”的要求。由表可知，由于管道口径较小，不宜采用履带式运动方式，且考虑移动机构的拖动力，不宜采用多足式和蠕动式行走方式，因此，管道机器人采用轮式行走方式。2.2.2自适应机构设计对于本文管道机器人需要设计管径适应调整机构，其主要作用有：在管道中能张开或收缩，使机器人能方便的进出管道；可以提供附加正压力增加机器人的驱动轮与管道内壁间的压力，改善机器人的牵引性能。对于预紧收缩机构主要有弹簧预紧机构、蜗杆蜗轮预紧机构、升降机预紧机构和丝杠螺母副预紧机构，其结构原理简图如图2-2所示。下面对每种方式的优缺点进行简要的说明和分析。（a）蜗轮蜗杆预紧支撑机构示意图（b）升降机预紧支撑机构示意图（c）丝杠螺母预紧支撑机构示意图（d）弹簧预紧支撑机构示意图图2-2四种预紧机构示意图（1）蜗轮蜗杆预紧方式连杆一端与涡轮轴铰接，另一端与驱动轮轴铰接，通过电机驱动蜗杆，带动窝轮传动，从而带动驱动轮撑开或者放低，以达到预紧的目的，如图2.2（a）所示。但所需驱动力较大，一般较少使用。（2）升降机预紧方式其工作原理是利用平行连杆原理，通过在其中某个连杆的一端作用一定大小和方向的力使升降机构升起或者回落，从而使驱动轮也跟着升起或者回落，以达到预紧的目的，如图2.2（b）所示。采用升降机预紧支撑机构最大的优点是在轴向和径向结构比较紧凑，使机器人的空间尺寸大大缩小，其缺点是当管道直径较大是所需的推动力较大，带机构强度的要求较高。（3）丝杠螺母预紧方式其工作原理是通过电机驱动丝杠转动，支撑杆一端和驱动轮轴铰接，另一端铰接在固定支点处，推杆一端与支撑杆铰接，另一端铰接在螺母上，滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴向方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动，进而推动支撑杆绕固定支点转动，使驱动轮撑开或者紧缩以达到预紧的目的，如图2.2（c）所示。该方法空间布置结构简单，所需驱动力较小，但缺点是不紧凑。（4）弹簧预紧方式其工作原理是通过改变弹簧预紧力来调节支撑论的径向距离，达到预紧的目的，如图2.2（d）所示。这种方法最大的优点是不需要外加动力源，在小范围内具有自适应能力。综合考虑以上预紧机构的优缺点和任务要求的限制，本文设计了一种可调的预紧机构，其基本原理是:通过外部手轮带动丝杠旋转，使丝杠螺母带动连动横向杆移动，从而带动斜连杆移动，预紧弹簧一端与连杆相连，另一端与驱动轮连杆相连，在连杆位置保持不变的情况下，通过预紧螺母沿轴向移动，即可改变弹簧预紧力的的大小，从而调节驱动轮与管壁的正压力。其示意图如图2-3所示。图2-3可调节自适应移动机构示意图根据以上的分析，管内机器人移动功能模块采用单电机全驱动可调节轮式移动机构，具有驱动力大和有效拖动的特点。2.3控制功能模块设计通过前面两节的分析，初步完成了管内机器人移动功能模块的设计，为使机器人能成为一个整体，更好的完成作业任务，机器人必须要有相应的控制系统。2.3.1常用控制系统介绍 目前，管道机器人控制系统多采纳上下位机控制方案，亟待解决的关键问题有两个：一是管内外远程通信的可靠性；二是下位机控制器的稳定性。由于管道机器人在管线内部作业，环境恶劣，不允许出现管内失控的重大事故，因此除了对机器人的能源动力系统等强电部分提出严格的要求之外，还对机器人的控制单元提出了极高的运行可靠性要求，以保证控制单元不受环境影响，在有效的控制策略下起到稳定的控制作用。当今，管道机器人的常规控制方案有以下几种：(1) PLC-PLC控制方案此方案中，上位机和下位机都使用PLC,即主从控制器都采用PLC控制器的双级控制系统。主控制器布置在管道外部，从控制器布置在管道内部，借助专门的通信扩展单元实现主从控制器的网络通讯。该系统自身高可靠性，高稳定性，易于实现，利于维护，开发时间短，易于操控，某些逻辑计算擅长实现，缺点是指令周期长、售价高、体积臃肿等。(2) PC一单片机控制系统该系统中，上位机采用PC机，下位机采用单片机(8位或16位)。目前研究的管道机器人大多数采用这种控制形式。作为上位机的PC机主要完成参数设置、视觉处理、控制命令的输出及控制状态的显示等工作，而单片机负责接收控制命令、应用速度和位置闭环控制算法及控制信号输出、现场数据的采集等工作。PC一单片机控制系统运算速度快，控制精度高，利于小型化和智能化，但是单片机系统的开发周期长，可靠性要不断改进。(3) PC一单片机+DSP控制系统在有些系统中，把一些计算量比较大的工作例如图像处理)交给下位机来完成，这时候需要下位机有一定的计算和存储能力，往往可以由单片机+DSP构成双机控制系统，其中单片机负责控制部分，DSP负责对数据的运算和处理。这种控制系统可以完成更为复杂的工作，不过在设计周期上有了一定的限制，且主要面向的是机器人群组控制。考虑以上三种系统的优缺点，结合课题项目中的炮管空间限制、功能限制以及产品的可持续发展性，不难看出选择功耗低空间小的嵌入式控制器第二种方案最合适不过。初期选择拖线方式，较少的上位机功能先集成到下位机上实现。2.3.2主控制系统机器人的控制技术涉及传感、驱动和控制三个方面，同时控制功能模块与机器人的机械结构、传动系统一起构成完整的机器人系统。机器人的主控制系统主要以简洁有效为主，可简化为一个独立的控制模块，通过将所需完成的作业任务的参数设置固化到控制模块中，这样只需启动电源就可以。将机器人的主控制系统采用上下上下两层的分布式控制系统：上位机采用工业控制计算机，主要完成作业任务的状态监控、人机交互等任务；下位机采用控制板，负责底层的控制任务，包括电机闭环控制器件、工作状态控制、传感器状态读取等，可以与上位机通过串行总线通信。2.3.3驱动系统本章首先根据实际需要对管内机器人提出了设计要求，明确了研究重点和解决思路。考虑移动机构对管内机器人的重要性，分析适合于管内环境的机器人管内运动方式，研究其运动机理和特点，是研究管内机器人必须首先考虑的一个问题。本章通过对常见的四种管内运动方式的运动机理和优缺点进行了分析，最终选择了适合管内环境的轮式行走方式，并采用了单电机全驱动可调节的轮式移动机构。该机构具有结构紧凑能够提供较大的拖动力。本章最后对管内机器人的控制系统进行了设计控制功能模块采用上下位机的总体设计思路，上位机采用工控机，下位机以控制器为核心。管内机器人可搭载多种检测元件，下位机通过串口与上位机进行通讯，对采集到的数据进行分析，从而全面实现管内监测和维护作业。3管内机器人结构参数分析 管内机器人是一个相对复杂的机电系统，对移动机构产生的拖动力和速度，机构的强度和电机运转状态都有要求。根据2.2结的分析，管内机器人对移动机构各方面的性能要求较高移动机构的设计比较复杂，各零件的径向尺寸容易发生干涉。为了设计一款集满足设计要求又结构紧凑的移动机构，本文通过建立方程，设置观测参数，并用参数分析法对设计变量进行优选，以达到设计要求的目的。3.1移动机构分析对于微小型管内机器人，由于管道对所选电机径向尺寸的限制，同时管内机器人需要提供较大拖动力，故考虑采用单电机输入，同时带动周向多个驱动轮转动的传动系统，即采用“电机-蜗杆-蜗轮-传动齿轮-驱动轮”的传动方式。根据分析，综合考虑移动功能模块的特点，提出以下技术指标：1）适应管径D为80mm，精度等级911级；2）有效拖动力100N；3）行走速度5-10mm/s。3.1.1移动机构构成及特点根据2.2结的设计，移动机构简图如图3-3所示。其机构构成是：前后两组共六个驱动轮沿径向呈圆周三等分分布他们分别在连杆的推力下压在管道的内壁上电机通过电机轴带动蜗轮蜗杆装置，蜗轮轴带动传动齿轮系，最终带动驱动轮转动，实现前进。预紧机构功能的实现：转动外部手轮，带动丝杠转动，使螺母前后移动，带动连杆移动，调节预紧弹簧的伸长量，从而能调节对驱动轮施加的预紧力的大小。1 丝杠螺母副；2连杆；3驱动轮；4预紧弹簧；5电机；6移动机构外壳；7蜗杆蜗轮；8传动齿轮系；9外部调节手轮图3-1移动机构示意图所设计的移动机构最大的特点是具有机械自适应能力。同时系统中采用圆周三点、前后两排轮的支撑和驱动方式，大大提高了移动机构的负载能力与越障能力。支撑点共六个，满足形封闭条件。当移动机构行走时，三个轮子成径向均匀分布，可以实现自定心要求，同时行走轮被紧紧压在管道内壁上，具有较强的适应性。机构设计中利用对称性，抵消了机器人在运动过程中不平衡力偶的干扰，使所有的力集中到电机运转轴线所在的竖直平面内，保证了整个机器人在运行过程中的平稳性。系统中采用圆周三点前后两排轮的支撑和驱动方式，大大提高了移动机构的负载能力。当移动机构行走时，三个轮子呈径向均匀分布，可以实现自定心要求。机构设计中利用对称性，抵消了机器人在运动过程中不平衡力偶的干扰，是所有的力集中到电机运转轴线所在的竖直平面上，保证了整个机器人运行过程中的平稳性。综上所述，该电机具有单电机全驱动自定心结构紧凑拖动力大切可调节的特点。3.1.2移动机构拖动力分析与计算由机器人的受力情况易知，驱动轮正压力的形成来源于重力和预紧力，下面分别从两方面进行分析，由于移动机构的6个轮子都是驱动轮，且存在两种对称性，即前后两组驱动轮系统完全对称，同组驱动轮系统各驱动轮之间呈120夹角，也存在对称性，因此，在后续的分析中可以仅仅对其中一种进行分析，其余的依理即可推出。（1）重力产生的封闭力的计算机器人在管内作业，管道有可能是倾斜的，即可能与水平面是成一定的夹角，如图3-2所示。图3-2管道有一定倾斜角时，机器人状态示意图由图中管内机器人受力分析可知，定义重力为G则重力沿垂直于管壁方向的分力G为 （3.1）由移动机构前后两组驱动轮的对称性可知，可以只对其中一组驱动轮分析，任选一组驱动轮作为研究对象，其在驱动截面上受力情况如图3-3所示。由于移动机构在结构上完全对称，在管内作业过程中可能发生偏转，为此，定义机器人本体相对于管道的状态叫做机器人的作业姿态。为了便于说明做以下定义：过管道轴心线，沿重力方向做一条铅垂线AA，并称其为机器人管内姿态参考线；在管道上半部分，最靠近参考线AA的驱动轮叫轮1，从轮1开始，按顺时针方向定义另外两个驱动轮分别为轮2与轮3，轮1的主截面与参考线的夹角叫做移动机构管内姿态角。图3-3机器人管内姿态角示意图可见，只要姿态角确定，机器人在管内的姿态就可完全确定。根据机器人移动机构对称性的特点，易知姿态角的取值范围是：。同时定义为各驱动轮与管壁间因重力产生的封闭力，因重力而形成的封闭力的代数和可表示为： （3.2）在姿态角取值范围内，由结构的对成性可知，只需研究移动机构在姿态角为时的受力情况。假设机器人本体质量均匀分布，所以作用在一组驱动轮上的重力为机器人总重量的一半，由静力平衡易知： （3.3）上式共有3个未知量，却只有两个方程，所以解不确定。实际上该结构是一个超静定机构，由于机构自重，在不给各支撑腿提供预紧力时，位于最上侧的驱动轮1位于与管壁接触的临界状态，即驱动轮1与管壁间的正压力为零，即： （3.4）根据式（3.3）和式（3.4）可以解得： （3.5）根据式（3.1）、式（3.2）和式（3.5）可得出当姿态角在范围内变化时，由重力产生的封闭力的代数和为： （3.6）有结构的对称性可以确定，当姿态角在之间变化时，封闭力的代数和为： （3.7） 所以当姿态角在内变化时，由重力产生的封闭力的代数和的普遍计算公式为： （3.8）根据驱动轮的对成性，另一组驱动轮由重力产生的封闭力之和的计算公式与式（3.8）相同，因此，在两组驱动轮上由重力产生的封闭力之和计算公式为： （3.9）由式（3.9）可见，当俯仰角和管内姿态角都为零时，重力产生的封闭力最大，为2G；当俯仰角为时，由重力产生的封闭力最小，为0；当俯仰角不等于且管内姿态角为时封闭力最小，为；当俯仰角不等于且姿态角为零时封闭力最大，为。（2）预紧机构产生的封闭力的计算由于自定心管内机器人移动机构为对称结构，六个驱动轮的传动结构完全相同，因此选择轮1作为研究对象，其余五个驱动轮受力情况可由此类推。前面已经对由重力引起的封闭力进行了分析，一般来说这样的封闭力还不能满足实际的需要，所以还需要设计一个可调整封闭力数值的机构。根据第二章的方案设计本文采用丝杠螺母的弹簧预紧机构，其力学模型如图3-4所示：图3-4驱动轮1受力分析图以蜗轮轴心为原点，以平行于机器人轴线为轴建立如图3-4中所示直角坐标系。图中各物理量得含义为：驱动轮中心和蜗轮轴心之间的距离；：蜗轮蜗杆中心距；驱动轮1与管内壁由弹簧产生的正压力；驱动轮1的半径；管半径；连杆与x轴的夹角；弹簧预紧力的大小。由图中几何关系易知： （3.10）机器人在进入管内时，需要预先调节手轮，改变预紧螺母位置，调节弹簧预紧力，一旦调整结束，预紧螺母位置将固定不变。因此，弹簧原长为20mm，令弹簧刚度为k，根据弹簧弹力公式易知： （3.11）由式（3.11）可知，当预紧螺母位置一定时，弹簧预紧力是固定不变的，由静力平衡条件可知，此时弹簧预紧力和驱动轮正压力对蜗轮中心轴的转矩平衡，即： （3.12）由式（3.12）可得： （3.13）令，其中为预紧系数，由式（3.13）易知，预紧系数只与机器人的结构尺寸有关。根据对称性，其余5个驱动轮由预紧机构产生的正压力与弹簧预紧力的关系与式完全相同，将其一并考虑可知由预紧机构产生的正压力的代数和为： (3.14)由于设计的机器人各驱动轮通过连杆连接在机器人本体上，若预紧机构产生的封闭力小于重力产生的封闭力，则驱动轮1将不能充分张开，机器人的自动定心将无法实现，根据式 和，可以得出能够支撑起机器人本体重力的弹簧力数值为： (3.15)可见，弹簧的预紧力大小与机器人的姿态角有关，为了确保任何状态下机器人都能够实现自定心，要求弹簧的预紧力不小于。（3）拖动力计算与许用俯仰角分析机器人在倾斜管内行进时，整体受力如图图-3-5所示。假设管的倾斜角为，电机产生的拖动力为，有效拖动力为，为分析方便，假设每个驱动轮的半径及材料特性都相同，与管壁之间的摩擦系数都为。则由受力分析图易知，当机器人沿管向上运行时，当机器人沿管向下运动时。下面分析移动机构未实现自定心和移动机构实现自定心两种情况下对移动机构的拖动力及俯仰角进行分析。图-3-5（a）机器人沿管向上运动图-3-5（b）机器人严管向下运动（1）移动机构未实现自定心当弹簧产生的封闭力小于重力产生的封闭力时，此时驱动轮1还未能和管壁接触，移动机构的自定心作用还没有实现，此时移动机构的拖动力来自于重力产生的封闭力。即： （3.16）当机器人沿管向上运动时，移动机构的有效拖动力为： （3.17）根据机器人能够爬坡的条件，有效拖动力需大于0，即： （3.18）由此可以的得出，当移动机构预紧力时，此时机器人的许用俯仰角为： （3.19）（2）移动机构实现自定心当机器人移动机构完全张开且驱动轮1与管壁有一定压力，即时，由于重力和弹簧预紧机构产生的封闭力的共同作用，使驱动轮与管内壁之间产生一个与本体运动方向相同的摩擦力，正是这个摩擦力提供了机器人前进的动力，假设此时驱动轮与管壁的有效正压力为，则机器人自适应移动机构拖动力计算公式为： （3.20）式（3.20）表示：移动机构的拖动力与弹簧预紧力管的倾斜角机器人管内姿态角预紧系数和摩擦系数有关。在预紧系数管内姿态角和管的倾斜角一定的情况下，移动机构的拖动力随预紧系数的增加而增大；在预紧力预紧系数和管内姿态角不变的情况下，拖动力随着管的倾斜角的增加而减小；在预紧力预紧系数和管的倾斜角一定时，拖动力随机器人管内姿态角的增大先增加后减小。由图3-4知，当机器人沿管向上运动时，有效拖动力为： （3.21）当机器人沿管向下运动时，有效拖动力为： （3.22）由式（3.21）可知，当电机产生的拖动力大于重力时，不论取何值，机器人均能在关内正常作业，即机器人作业的许永管内倾斜角为。本文后续的设计都是在移动机构完全张开，即移动机构能够实现自定心的条件下进行的，此时机器人作业管的许永倾斜角为。3.1.3移动机构优化设计移动机构主要由传动机构和预紧力调节机构两部分组成，传动机构的主要作用是传递电机扭矩。由电机带动驱动轮所产生的拖动力，一方面要克服重力沿管轴线的分力，另一方面还要提供拖动负载的力。根据拖动力计算公式（3.16）可知，拖动力的大小与弹簧预紧力密切相关，所以，为了满足拖动力要求，需要对弹簧 相关设计进行优化设计。本文设计的可调预紧机构的特点就在于机器人安装完毕之后，可以尽通过调节外部的手轮，改变预紧螺母位置就可以调节预紧力的大小。该机构优点很明显，但同时也给移动机构的整体设计带来了一定的限制：由于本设计中移动机构行走轮采用圆周分布，为了使弹簧的实际提供拉力与计算值吻合，在设计时应尽量使丝杠螺母弹簧和连杆处于同一平面，而根据机构见图可知，丝杠螺母长度变长，势必增加移动机构的长度，同时由于管径的限制，丝杠中心与蜗轮中心距离不可能太长，若距离增加，则需要减小蜗轮蜗杆中心距，势必使蜗轮蜗杆所能传递的功率减小。因此在设计时，预紧螺母的位置范围是优化设计目标。机械优化设计的一般方法包括解析法参数分析法数值计算法人工神经网络计算法等其他方法。由于本设计目标中变量多，且变量之间关系复杂，故采用参数分析法来筛选最佳方法。根据移动机构设计尺寸上的要求，要求预紧螺母横坐标，同时在满足拖动力要求的前提下，预紧螺母纵坐标尽量小，以便能给蜗轮蜗杆留出更大的空间。机器人对移动机构拖动力有两方面的要求，首先是有效拖动力等于100N，即；其次，当管的口径在机器人可适应的口径范围内变化时，要求移动机构提供的有效拖动力恒定不变。由机器人的目标，其数学表达式如下： （3.23）为便于计算，选择弹簧型变量为变量，式可以表达为： （3.24）其中：。易见，式（3.24）是关于的非线性方程。对式（3.24）中各参数，根据机器人相关设计参数，设定：G=50N;d=20mm；l=40.5mm；h=15.6mm；=10mm；。3.2动力系统设计与计算3.2.1电机选型管内机器人的电机选型有比较大的局限性，一方面要考虑各功能模块对电机功率转速和转矩的需要，另一方面还要考虑管内口径对电机安装尺寸的限制。根据前面的分析，机器人采用直流电源供电，初步选择无刷直流力矩电机，其型号为：25SW01，电压DC36V，空载转速960rpm，堵转转矩2.7Nm，额定电流6A，产品单重0.1Kg。外形尺寸：L=28mm。3.2.2移动机构传动比分配（1）传动比计算有管内机器人设计目标，其速度为510mm/s，初选驱动轮直径d=20mm，则此时驱动轮角速度为： （3.25）驱动轮的转速为： （9.26）由于初选电机的转速为960，由传动比公式.选择i=100。（2）传动比分配由移动机构的设计简图可知，其传动系统示意图如图所示。蜗轮蜗杆传动能获得较大单级传动比，在传递动力时，传动比一般为8100，常用范围为1550。用于分度机构中，传动比可达几百，甚至到一千。但是由于机器人手管内空间尺寸的限制，初步选择蜗轮蜗杆的传动比为10。连杆齿轮的主要作用是传递运动，且由于管的口径在尺寸上的限制，不适合改变传动比，即连杆齿轮的传动比为1，因此需要另外选择一个减速比为10 的减速器，最终实现传动比为10。3.3.4电机校核移动功能模块电机校核根据移动功能模块的性能指标以及本文本文所设计的驱动轮半径r=10mm，则机器人受到的最大总阻力距为： (3.27)则电机提供的驱动力距和功率分别为： (3.28) (3.29)式(3.28)中表示传动系统总的传动比，为传动系统各部分传动效率的乘积。在移动机构中，总的传动比为100，传动系统包括电机蜗轮蜗杆和传动齿轮其传动效率分别为0.98、0.98、0.96。带入分别计算得=0.143Nm, =0.032KW，所选电机功率为0.50KW，满足机器人使用要求，且有一定的动力储备。本章主要对移动机构和动力系统进行了设计和计算，移动机构两个最主要的特点是自适应和拖动力恒定，为了实现这两个目的，本章首先介绍了移动机构机构组成和特点，从重力和弹簧预紧力两个方面对拖动力进行了分析，并得出了移动机构拖动力的计算公式，然后讨论了机器人在不同工作状态下的所能产生的有效拖动力的计算方法，分析并指出了机器人许永俯仰角和弹簧预紧力。本章还对电机进行了选型对移动机构的传动比进行了计算和分配对电机进行了功率和转矩的校核，并且具有一定的功率和力矩储备，满足使用需要。4 机器人机械结构设计在前面章节中对管内机器人进行方案设计与参数优化设计的基础上，本章主要对移动功能模块的机械设计与分析。通过本章对管内机器人机械结构的详细设计，可进一步明确机器人的结构和功能，为机器人的加工制作打下基础。移动机构的设计主要分为三个部分：传动机构、预紧机构和连接件。传动机构的设计主要包括蜗轮蜗杆、传动齿轮系和行走轮的设计，预紧机构的设计主要包括滚珠丝杠副、推杆连杆机构的设计。4.1传动机构设计电机的动力经蜗杆传递到六个蜗轮上，蜗轮通过传动齿轮最终将动力传递到驱动轮上，在动力的整个传递过程中，蜗杆和蜗轮是最关键的零件。（1）蜗轮蜗杆设计根据3.3.2节的分析，电机首先经过减速比为10的减速器，将动力传递到蜗杆上，由于蜗轮蜗杆的传动比=10，则电机经过减速器和蜗轮蜗杆传递动力后，蜗轮轴的转速为9.6r/min，额定转矩Nm。根据蜗杆蜗轮的传递功率和转矩的情况，运用机械设计相关理论对蜗轮蜗杆进行设计。考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度8CGB10227-88.由于在传递过程中蜗杆和蜗轮之间的相对滑动速度较大，更容易产生胶合和磨损，因此蜗杆材料选择45钢，表面淬火到4550HRC，蜗轮材料ZQA194.蜗杆头数=2,蜗轮齿数=20，模数=1mm，中心距=15.6mm蜗杆分度圆直径的=11.2，蜗轮分度圆直径=20mm。经过蜗轮蜗杆的强度校核，他们均满足使用要求。（2）传动齿轮设计根据3.3.2节的分析，考虑尺寸限制及节约的原则，传动齿轮系中的三个齿轮中两边的两个齿轮参数一样，考虑到齿轮所传递的扭矩大小，设计结果如下：齿轮材料用35CrMo，调制处理，硬度255286HBS，齿数=12， =15模数=1.5mm，尺宽B=8mm，中心距=20mm，分度圆直径=12mm。校核弯曲疲劳强度齿面疲劳强度均满足要求。（3）驱动轮设计为了使驱动轮与管壁能够产生足够的摩擦力，采用橡胶作为驱动轮的材料，橡胶与钢的静摩擦系数为0.450.6,在无润滑条件下的动摩擦系数为0.8。在对驱动轮半径进行选择时，由于要求机器人作业环境为管径80mm，有连杆与轴线的夹角的计算公式可知，蜗轮蜗杆的中心距与驱动轮半径之和应小于所能适应的管道的半径，蜗轮蜗杆的中心距为15.6mm，则驱动轮半径应小于24.4mm。又因传动齿轮的齿顶圆半径为14mm，且与驱动轮距离为13mm，所以驱动轮的半径大于13mm，才能保证传动齿轮不会与管壁接触。在根据移动机构行走速度的要求，电机经过传动机构传递到驱动轮的转速为9.6r/min，根据设计要求，移动机构的行走速度为5mm/s10mm/s，则轮子的半径为20 mm/s。综合以上分析，驱动轮半径选为10mm。根据以上设计，传动机构装配图如图所示。4.2预紧机构设计（1）拉簧设计取弹簧的最大工作载荷，最大型变量为，弹簧外径限制在15mm以下，假设弹簧的钢丝直径为d=2mm，初选弹簧指数C=8，则弹簧中径为=10mm，曲度系数：选用碳素弹簧钢丝C级，查表知强度极限，扭转许永应力，则钢丝直径：2mm选择d=2mm，下面计算弹簧刚度，确定弹簧圈数。由刚度计算公式：由公式取n=15圈，则弹簧的实际刚度为19N/mm.弹簧内径弹簧外径由于为拉伸弹簧，所以弹簧节距p=d=2mm。螺旋升角。4.3连接件设计（1）支架的设计由于移动机构直径较小，而结构又比较复杂，零件较多，各零件在径向尺寸上容易产生干涉，所以蜗轮轴的固定部分采用支架式设计，尽量避免产生干涉。又因为移动功能模块中间是预紧机构的调节齿轮系，考虑到装配问题，设计了两个结构类似的前支架和后支架，前后支架的两端分别是两个圆盘，其中一端用来固定电机（后支架则是和丝杠副连接），另一端用来实现固定连接。移动机构在装配时，首先将传动机构分别装配在前后支架上，然后把两部分用螺栓连接起来，最后再将预紧连杆和丝杠副用螺栓固定在后支架上，从而完成移动功能模块的整体装配。（2）部件连接块的设计由于机器人在作业过程中需要前进和后退，而机器人前进的动力均来自移动机构，所以移动功能模块与其他模块之间采用刚性连接，故设计部件连接块来实现该功能。且由于尺寸限制，为减少尺寸，使连接块具有电机座的功能，即电机在部件连接块内放置。4.4驱动机构装配图设计前面完成了驱动机构的主要零件设计，将设计好的零件加以组装，完整的装配图如图4-1所示。图4-1 驱动机构装配图其机构构成是：前后两组共六个驱动轮沿径向呈圆周三等分分布他们分别在连杆的推力下压在管道的内壁上电机通过电机轴带动蜗轮蜗杆装置，蜗轮轴带动传动齿轮系，最终带动驱动轮转动，实现前进。预紧机构功能的实现：转动外部手轮，带动丝杠转动，使螺母前后移动，带动连杆移动，连杆带动弯杆移动，从而调节预紧弹簧的伸长量，达到调节对驱动轮施加的预紧力的大小。移动机构的功能最为复杂，零件最多，本章按照机构功能的不同分三个部分对移动机构进行设计，首先对传动机构进行了详细设计，给出了蜗轮蜗杆、传动齿轮和驱动轮的具体设计参数。并利用3.1.3中的结论对预紧弹簧进行了详细设计。对滚珠丝杠副进行了选型，完成了预紧机构的设计。由于移动机构零件多，为了尽量避免干涉，采用支架式外壳设计。5 机器人管内运动分析5.1移动机构管内运动情况分析移动功能模块是机器人的主要功能模块，采用轮式运动方式。下面对驱动轮在管内的越障能力能力进行简单的分析。假设驱动轮在管内的运动情况如图5-1所示。图5-1 驱动轮1管内运动示意图驱动轮不触及沟底的条件：当驱动轮运动到边缘时，开始绕A点转动，假设转过的角度为， 沟的深度为d，如果驱动轮在前进过程中要不触及沟底，需满足： （5.1）所以驱动轮在不触及沟底的情况下所能跨越的最大的距离为： （5.2）由式（5.2）知，当沟的宽度时，驱动轮在行进的过程中将触及沟底，当时，驱动轮在行进的过程中可以不触及沟底。5.2机器人管内动力学分析由于机器人所在管的精度为9-11级，并未有大的沟道存在，为了进一步分析机器人的动力性能对机器人整体建立动力学模型